JP6832775B2 - エンジン発電機 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン始動用モータとして動作可能なエンジン発電機に関する。

この種のエンジン発電機として、従来、発電部をジェネレータおよびスタータモータとして動作させるためのスタータジェネレータドライバを備えるものが知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の発電機は、スタータジェネレータドライバがＤＣ／ＤＣコンバータを備え、ＤＣ／ＤＣコンバータによりバッテリの出力を昇圧して発電部の巻線に通電し、発電部のロータをステータに対して回転させることで、エンジンを始動する。

特許第５８３９８３５号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の発電機は、バッテリの出力を昇圧するためにＤＣ／ＤＣコンバータが別途必要であり、部品点数、重量およびコストの増加を招く。

本発明の一態様であるエンジン発電機は、エンジンと、エンジンにより駆動される発電部と、発電部に電気的に接続され、発電部で生じた電力を直流に整流する第１電力変換回路と、第１電力変換回路に電気的に接続され、第１電力変換回路で整流された直流を平滑するコンデンサと、コンデンサに電気的に接続され、コンデンサで平滑された直流を交流に変換するとともに、複数のスイッチ素子と、複数のスイッチ素子にそれぞれ並列に接続された複数のダイオードとを有する第２電力変換回路と、第２電力変換回路に電気的に接続され、第２電力変換回路で変換された交流を平滑し、平滑後の電力を電気負荷に供給するとともに、コイルを有する平滑回路と、を備える。さらにエンジン発電機は、平滑回路に接続可能な直流電源部と、直流電源部を平滑回路に接続するコネクタと、エンジンの始動時に、直流電源部と、平滑回路のコイルと、第２電力変換回路のスイッチ素子およびダイオードと、コンデンサとにより昇圧回路が形成されるように第２電力変換回路のスイッチ素子の作動を制御する制御部と、を備える。コネクタは、通信ラインを介して制御部と通信可能に接続され、制御部は、通信ラインを介して送信された直流電源部の状態に関する情報を取得する。

本発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を別途設けることなく、既存の電気回路を流用して昇圧回路を形成することができ、部品点数、重量およびコストの増加を防ぐことができる。

本発明の実施形態に係るエンジン発電機の全体構成を示す電気回路図。 図１の電気回路の一部によって構成される昇圧回路の構成を示す図。 図１の制御ユニットで実行される処理の一例を示すフローチャート。

以下、図１〜図３を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係るエンジン発電機は、可搬型ないし携帯型のエンジン発電機であり、ユーザが手動で持ち運び可能な重量および寸法を有する。

図１は、本発明の実施形態に係るエンジン発電機１００の全体構成を示す電気回路である。図１に示すように、エンジン発電機１００は、汎用エンジン１と、エンジン１により駆動される発電部２と、発電部２に電気的に接続されたインバータユニット３とを有する。

エンジン１は、例えばガソリンを燃料とする点火式の空冷エンジンであり、シリンダ内を往復動するピストンと、ピストンに同期して回転するクランクシャフト（出力軸）とを有する。エンジン１の動力は、クランクシャフトを介して発電部２に出力される。

発電部（発電機本体）２は、エンジン１により駆動されて交流電力を発電する多極オルタネータであり、クランクシャフトに連結されてクランクシャフトと一体に回転するロータと、ロータの周面に対向してロータと同心状に配置されたステータとを有する。ロータには永久磁石が設けられる。ステータには、１２０度毎の位相角で配置されたＵＶＷの巻線が設けられる。発電部２は、後述するようにバッテリ５からの電力によりスタータモータとして駆動することができ、これによりリコイルスタータを用いずにエンジン１を始動することができる。

インバータユニット３は、発電部２に電気的に接続され、発電部２より出力された三相交流を整流する第１電力変換回路３１と、第１電力変換回路３１に電気的に接続され、第１電力変換回路３１で整流された直流を平滑するコンデンサ３２と、コンデンサ３２に電気的に接続され、コンデンサ３２で平滑された直流を交流に変換する第２電力変換回路３３と、第２電力変換回路３３に電気的に接続され、第２電力変換回路３３で変換された交流を平滑する平滑回路３４と、第１電力変換回路３１と第２電力変換回路３３とに含まれるスイッチ素子のスイッチング動作を制御する制御ユニット５０とを備える。制御ユニット５０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ、その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成されるマイクロコンピュータである。

第１電力変換回路３１は、ブリッジ回路として構成され、発電部２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各巻線に対応して接続された３対（計６個）の半導体スイッチ素子３１１を有する。スイッチ素子３１１は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のトランジスタにより構成され、各スイッチ素子３１１にはそれぞれダイオード３１２（例えば寄生ダイオード）が並列に接続される。

スイッチ素子３１１のゲートは制御ユニット５０から出力される制御信号により駆動され、制御ユニット５０によりスイッチ素子３１１の開閉（オンオフ）が制御される。例えば発電部２がジェネレータとして機能するとき、スイッチ素子３１１はオフされ、これにより三相交流がダイオード３１２を介して整流される。整流後の電流はコンデンサ（キャパシタ）３２で平滑された後、第２電力変換回路３３に入力される。第１電力変換回路３１は、発電部２がスタータモータとして機能するとき、バッテリ５からの電力による直流をスイッチ素子３１１のオンオフにより三相交流に変換して発電部２に出力する。コンデンサ３２には、正極側端子３６１と負極側端子３６２とを介して第２電力変換回路３３が接続される。

第２電力変換回路３３は、Ｈブリッジ回路として構成された２対（計４個）の半導体スイッチ素子３３１を有する。スイッチ素子３３１は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のトランジスタであり、各スイッチ素子３３１にはそれぞれダイオード３２２（例えば寄生ダイオード）が並列に接続される。スイッチ素子３３１のゲートは制御ユニット５０から出力される制御信号により駆動され、制御ユニット５０によりスイッチ素子３３１の開閉（オンオフ）が制御されて、直流が単相交流に変換される。第２電力変換回路３３は、一対の出力端子３６３，３６４を介して平滑回路３４に接続される。

第２電力変換回路３３の構成についてより詳しく説明する。スイッチ素子３３１は、コンデンサ３２の正極側端子３６１と第２電力変換回路３３の出力端子３６３との間に配置された第１スイッチ素子３３１ａと、コンデンサ３２の負極側端子３６２と第２電力変換回路３３の出力端子３６３との間に配置された第２スイッチ素子３３１ｂと、コンデンサ３２の正極側端子３６１と第２電力変換回路３３の出力端子３６４との間に配置された第３スイッチ素子３３１ｃと、コンデンサ３２の負極側端子３６２と第２電力変換回路３３の出力端子３６４との間に配置された第４スイッチ素子３３１ｄとを有する。

ダイオード３３２は、第２電力変換回路３３の出力端子３６３およびコンデンサ３２の正極側端子３６１にアノードおよびカソードがそれぞれ接続された第１ダイオード３３２ａと、コンデンサ３２の負極側端子３６２および第２電力変換回路３３の出力端子３６３にアノードおよびカソードがそれぞれ接続された第２ダイオード３３２ｂと、第２電力変換回路３３の出力端子３６４およびコンデンサ３２の正極側端子３６１にアノードおよびカソードがそれぞれ接続された第３ダイオード３３２ｃと、コンデンサ３２の負極側端子３６２および第２電力変換回路３３の出力端子３６４にアノードおよびカソードがそれぞれ接続された第４ダイオード３３２ｄとを有する。

平滑回路（フィルタ回路）３４は、一対のコイル（リアクトル）３４１，３４２とコンデンサとを有する。平滑回路３４は、第２電力変換回路３３から入力された単相交流を正弦波に変調し、一対の電力線３７１，３７２を介して電気負荷３５に出力する。

電力線３７１，３７２には、給電回路４０を介してバッテリ５が電気的に接続される。バッテリ５は所定容量（例えば１２Ｖ）を有する。給電回路４０は、コネクタ６を介してバッテリ５を電力線３７１，３７２上の平滑回路３４の出力側の端子３６５，３６６に接続するように設けられる。より詳しくは、バッテリ５の正極側端子は、ヒューズ４１、コンタクタ４２およびダイオード４３を介して正極側の出力端子３６５に接続され、バッテリ５の負極側端子は負極側の出力端子３６６に接続される。

コンタクタ４２は、バッテリ５をインバータユニット３に電気的に接続（オン）または遮断（オフ）するためのスイッチを含み、コンタクタ駆動回路４４によりその作動（オンオフ）が制御される。ヒューズ４１とコンタクタ４２との間には、バッテリスイッチ４５が接続され、バッテリスイッチ４５のオンにより制御ユニット５０に電力が供給される。これによりコンタクタ駆動回路４４がコンタクタ４２をオンする。バッテリスイッチ４５がオフされると、コンタクタ駆動回路４４はコンタクタ４２をオフする。すなわちコンタクタ４２は、バッテリスイッチ４５のオンオフに連動してオンオフする。

バッテリ５からの電力によりエンジン１を始動する場合、ユーザによりバッテリスイッチ４５がオン操作される。これによりコンタクタ４２がオンされ、バッテリ５の電力がインバータユニット３の平滑回路３４、第２電力変換回路３３、コンデンサ３２、および第１電力変換回路３１を介して発電部２に供給される。

このとき、制御ユニット５０は、バッテリスイッチ４５がオンされたか否かを判定し、バッテリスイッチ４５がオンされたと判定すると、第１電力変換回路３１のスイッチ素子３１１のオンオフを制御し、直流電力を交流電力に変換する。この交流電力は発電部２に供給され、これによりステータの巻線に回転磁界が発生し、発電部２のロータが回転する。その結果、クランクシャフトが回転させられ、エンジン１のクランキングによる始動が可能となる。なお、コネクタ６には通信ラインが接続され、通信ラインを介してバッテリ５の内部温度や充電状態などの情報が制御ユニット５０に送信される。

ところで、このようにエンジン１を始動する場合には、発電部２をスタータモータとして駆動するために、発電部２に所定電圧（例えば２００Ｖ）を印加する必要がある。そのためには、バッテリ５の電圧を昇圧する必要があるが、この昇圧をＤＣ／ＤＣコンバータ等を別途設けて行うようにすると、部品点数、重量およびコストの増加を招く。そこで、本実施形態では、既存のインバータ回路（インバータユニット３）を流用して昇圧回路を構成し、昇圧回路によりバッテリ５の電圧を所定電圧まで昇圧するように構成する。

図２は、図１の電気回路の一部によって構成される昇圧回路１０１の構成を示す図である。図２に示すように、昇圧回路１０１は、バッテリ５と、平滑回路３４のコイル３４１と、第２電力変換回路３３の第２スイッチ素子３３１ｂおよび第１ダイオード３３２ａと、コンデンサ３２とを含んで構成される。

図３は、制御ユニット５０で実行される処理の一例、特にエンジン発電機１００の始動時における処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えばエンジン発電機１００が非起動状態かつ負荷３５が接続されていない状態において、バッテリスイッチ４５がオンされて制御ユニット５０に電力が供給されると開始され、エンジン１の始動が終了するまで所定周期で繰り返される。

まず、ステップＳ１で、コンタクタ駆動回路４４に制御信号を出力し、コンタクタ４２をオンする。これによりバッテリ５の電力が給電回路４０を介してインバータユニット３に供給される。

次いで、ステップＳ２で、第２電力変換回路３３のスイッチ素子３３１に制御信号を出力し、そのスイッチング動作を制御する。具体的には、第２電力変換回路３３の第１スイッチ素子３３１ａ、第３スイッチ素子３３１ｃおよび第４スイッチ素子３３１ｄをオフし、第２スイッチ素子３３１ｂを所定周期でオンおよびオフする。

第２スイッチ素子３３１ｂをオンすると、バッテリ５からの電流が平滑回路３４のコイル３４１および第２スイッチ素子３３１ｂを流れ、コイル３４１に電気エネルギーが蓄えられる。第２スイッチ素子３３１ｂをオフすると、バッテリ５からの電流がコイル３４１およびダイオード３３２ａを流れる。このとき、コイル３４１に蓄えられたエネルギーがバッテリ５の電力に加算されて出力され、これにより第１電力変換回路３１に、昇圧した電力を供給できる。

ステップＳ３では、第１電力変換回路３１のスイッチ素子３１１に制御信号を出力し、スイッチ素子３１１をオンオフする。これにより発電部２のステータの巻線に三相交流が流れてロータを回転駆動することができる。その結果、クランクシャフトが回転させられ、エンジン１のクランキングによる始動が可能となる。

本発明の実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）エンジン発電機１００は、エンジン１と、エンジン１により駆動される発電部２と、発電部２に電気的に接続され、発電部２で生じた電力を直流に整流する第１電力変換回路３１と、第１電力変換回路３１に電気的に接続され、第１電力変換回路３１で整流された直流を平滑するコンデンサ３２と、コンデンサ３２に電気的に接続され、コンデンサ３２で平滑された直流を交流に変換するとともに、複数のスイッチ素子３３１と、複数のスイッチ素子３３１にそれぞれ並列に接続された複数のダイオード３３２とを有する第２電力変換回路３３と、第２電力変換回路３３に電気的に接続され、第２電力変換回路３３で変換された交流を平滑し、平滑後の電力を電気負荷３５に供給するとともに、コイル３４１を有する平滑回路３４とを備える（図１）。エンジン発電機１００は、さらに平滑回路３４に接続可能なバッテリ５と、エンジン１の始動時に、バッテリ５と、平滑回路３４のコイル３４１と、第２電力変換回路３３のスイッチ素子３３１（第２スイッチ素子３３１ｂ）およびダイオード３３２（第１ダイオード３３２ａ）と、コンデンサ３２とにより昇圧回路１０１が形成されるように第２電力変換回路３３のスイッチ素子３３１の作動を制御する制御ユニット５０とを備える（図１，２）。

この構成により、既存のインバータ回路を流用して昇圧回路１０１を形成することができる。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を別途設ける必要がなく、部品点数、重量およびコストの増加を抑えて昇圧回路１０１を構成することができる。すなわち、簡易な構成でバッテリ５の電力を昇圧して発電部２に導くことができる。また、昇圧回路１０１でバッテリ５の電圧を昇圧させるように構成することで、高圧のバッテリを用いることなく発電部２（エンジン１）を容易に始動することができる。

（２）第２電力変換回路３３の一対の出力端子３６３，３６４は、平滑回路３４を介してバッテリ５の正極側および負極側にそれぞれ接続可能である（図１）。第２電力変換回路３３は、コンデンサ３２の正極側端子３６１と出力端子３６３との間に配置された第１スイッチ素子３３１ａと、コンデンサ３２の負極側端子３６２と出力端子３６３との間に配置された第２スイッチ素子３３１ｂと、出力端子３６３および正極側端子３６１にアノードおよびカソードがそれぞれ接続された第１ダイオード３３２ａと、負極側端子３６２および出力端子３６３にアノードおよびカソードがそれぞれ接続された第２ダイオード３３２ｂと、を有する（図２）。制御ユニット５０は、エンジン１の始動時に、第１スイッチ素子３３１ａをオフし、第２スイッチ素子３３１ｂを所定周期でオンおよびオフする。このように第２電力変換回路３３のスイッチ素子３３１ａ，３３１ｂのオンオフを制御することで、新たな部品を追加することなく昇圧回路１０１を形成することができ、構成が容易である。

（３）エンジン発電機１００は、平滑回路３４とバッテリ５とを接続または遮断するコンタクタ４２を有する（図１）。制御ユニット５０は、さらにエンジンの１始動時に平滑回路３４とバッテリ５とが接続されるようにコンタクタ４２（コンタクタ駆動回路４４）を制御する。これにより、エンジン始動時のみにバッテリ５からインバータ回路に電力を供給して昇圧し、発電部２をスタータモータとして適切に動作させることができる。

なお、上記実施形態では、制御部としての制御ユニット５０での処理により、エンジン１の始動時にコンデンサ３２の正極側端子３６１（第１端子）と出力端子３６３（第１出力端子）との間に配置された第１スイッチ素子３３１ａをオフし、コンデンサの負極側端子３６２（第２端子）と出力端子３６３との間に配置された第２スイッチ素子３３0１ｂを所定周期でオンおよびオフしてバッテリ５（直流電源部）の電圧を昇圧するようにしたが、直流電源部と、平滑回路のコイルと、第２電力変換回路のスイッチ素子およびダイオードと、コンデンサとにより昇圧回路が形成されるように第２電力変換回路のスイッチ素子の作動が制御されるのであれば、制御部の構成はいかなるものでもよく、電気回路の構成も図１に示したものに限らない。例えば、第２電力変換回路が単相交流ではなく三相交流を出力するようにしてもよい。上記実施形態では、コンタクタ４２を介してバッテリ５と平滑回路３４とを接続または遮断するようにしたが、スイッチ部の構成はこれに限らない。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

１ エンジン、２ 発電部、５ バッテリ、３１ 第１電力変換回路、３２ コンデンサ、３３ 第２電力変換回路、３４ 平滑回路、４２ コンタクタ、５０ 制御ユニット、１００ エンジン発電機、１０１ 昇圧回路、３３１ｂ 第２スイッチ素子、３３２ａ 第１ダイオード、３４１ コイル

Claims (3)

1. エンジンと、
   該エンジンにより駆動される発電部と、
   前記発電部に電気的に接続され、前記発電部で生じた電力を直流に整流する第１電力変換回路と、
   前記第１電力変換回路に電気的に接続され、前記第１電力変換回路で整流された直流を平滑するコンデンサと、
   前記コンデンサに電気的に接続され、前記コンデンサで平滑された直流を交流に変換するとともに、複数のスイッチ素子と、該複数のスイッチ素子にそれぞれ並列に接続された複数のダイオードとを有する第２電力変換回路と、
   前記第２電力変換回路に電気的に接続され、前記第２電力変換回路で変換された交流を平滑し、平滑後の電力を電気負荷に供給するとともに、コイルを有する平滑回路と、を備えたエンジン発電機において、
   前記平滑回路に接続可能な直流電源部と、
   前記直流電源部を前記平滑回路に接続するコネクタと、
   前記エンジンの始動時に、前記直流電源部と、前記平滑回路の前記コイルと、前記第２電力変換回路の前記スイッチ素子および前記ダイオードと、前記コンデンサとにより昇圧回路が形成されるように前記第２電力変換回路の前記スイッチ素子の作動を制御する制御部と、をさらに備え、
   前記コネクタは、通信ラインを介して前記制御部と通信可能に接続され、
   前記制御部は、前記通信ラインを介して送信された前記直流電源部の状態に関する情報を取得することを特徴とするエンジン発電機。
2. 請求項１に記載のエンジン発電機において、
   前記第２電力変換回路の第１出力端子および第２出力端子は、前記平滑回路を介して前記直流電源部の正極側および負極側にそれぞれ接続可能であり、
   前記第２電力変換回路は、前記コンデンサの正極側の第１端子と前記第１出力端子との間に配置された第１スイッチ素子と、前記コンデンサの負極側の第２端子と前記第１出力端子との間に配置された第２スイッチ素子と、前記第１出力端子および前記第１端子にアノードおよびカソードがそれぞれ接続された第１ダイオードと、前記第２端子および前記第１出力端子にアノードおよびカソードがそれぞれ接続された第２ダイオードと、を有し、
   前記制御部は、前記エンジンの始動時に、前記第１スイッチ素子をオフし、前記第２スイッチ素子を所定周期でオンおよびオフすることを特徴とするエンジン発電機。
3. 請求項１または２に記載のエンジン発電機において、
   前記コネクタを介して接続された前記平滑回路と前記直流電源部とを、電気的に接続または遮断するスイッチ部をさらに備え、
   前記制御部は、さらに前記エンジンの始動時に前記平滑回路と前記直流電源部とが電気的に接続されるように前記スイッチ部を制御することを特徴とするエンジン発電機。

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